KR100849396B1 - 패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형플라즈마 처리 장치 - Google Patents

패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다. 본 발명은 진공 상태로 유지되며, 기판의 처리를 위해 외부에서 유입된 반응 가스를 이용하여 플라즈마를 생성하는 제1 챔버, 상기 제1 챔버의 상부에 위치하며, RF 전원에 접속되어 상기 제1 챔버에 상기 플라즈마 생성을 위한 전기장을 유도하는 안테나 코일, 상기 제1 챔버 및 안테나 사이에 배치되며, 상기 제1 챔버 내부에 전기장이 유도되도록 하는 유전체 윈도우 및 상기 RF 전원과 독립적인 제어 전원에 접속되어 상기 안테나 코일 및 유전체 윈도우 사이에 배치되는 패러데이 차폐막을 포함한다. 본 발명에 따르면 플라즈마 밀도의 균일도를 높일 수 있는 장점이 있다.
유도 결합, 패러데이, 차폐, 플라즈마, 챔버, 진공, 안테나, 프레임

Description

패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치{Inductively coupled plasma processing apparatus controlled faraday shield independently}
도 1은 종래기술에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 단면도를 도시한 도면.
도 2는 종래기술에 따른 안테나 코일 배치를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 일부 사시도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
300: 제1 챔버 302: 기판 304: 하부전극
306: 상부 플레이트 308: 가스공급수단 310: 제2 챔버
312,316: RF 전원 314: 안테나 코일 318: 충진재
320: 유전체 윈도우 322: 냉매공급수단 324: 패러데이 차폐막
본 발명은 패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액정표시소자(Liquid Crystal Display, LCD)의 제조를 위해 고효율로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
액정표시소자는 종래의 음극선관(Cathode Ray Tube, CRT)를 대체하여 최근 각광을 받고 있는 표시장치로서, 매트릭스 형태로 배열된 화소전극의 스위칭 소자로서 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 이용한다. 이와 같이 TFT를 이용하는 액정표시소자를 TFT-LCD라 한다.
액정표시소자에 이용되는 박막트랜지스터 또는 박막트랜지스터 어레이는 증착, 식각, 스퍼터링 및 애싱 공정을 통해 제조되는데, 이중 식각은 박막트랜지스터에 전극 패턴을 형성하는데 있어서 필수적인 공정으로서, 플라즈마를 이용하여 수행된다.
플라즈마 처리 장치는 RF 전력의 인가방식에 따라 용량 결합형 플라즈마(Capacitive Coupled Plasma, CCP) 처리 장치와 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP) 처리 장치로 구분된다.
용량 결합형 플라즈마 처리 장치는 서로 대향하는 평행평판 전극에 RF 전력을 인가하여 전극 사이에 수직으로 형성되는 RF 전기장을 이용하여 플라즈마를 발 생시키는 방식이고, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치는 안테나 코일에 의해 유도되는 전기장을 이용하여 반응 가스를 플라즈마로 변화시키는 방식이다.
용량 결합형 플라즈마 처리 장치가 많이 사용되는 하지만 이온에너지가 높기 때문에 이온충격으로 인하여 글래스나 장치내부의 부품이 손상될 가능성이 높고, 선폭 등을 정밀하게 제어하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 수십 mTorr이하의 저압영역에서는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
이에 반하여 유도 결합형 플라즈마 처리 장치는 저압영역에서도 비교적 효과적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 용량 결합형 방식에 비하여 훨씬 높은 밀도의 플라즈마를 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치는 챔버(100), 플라즈마 발생용 RF 전원(102)에 접속되는 안테나 코일(110), 챔버(100) 내부에 반응 가스를 공급하는 상부 플레이트(104), 바이어스 발생용 RF 전원(106)에 접속하는 하부 전극(108), 가스 공급 수단(112) 및 펌핑부(114)를 포함할 수 있다.
유도 결합형 플라즈마 처리 장치는 안테나 코일(110)에 RF 전원을 인가하고, 이에 따른 유도 전기장을 통해 챔버(100) 내부에 플라즈마를 발생시킨다.
한편, 도 2는 종래기술에 따른 안테나 코일의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
종래에는 안테나 코일(110)이 대기압 조건 하에서 챔버(100) 상부에 배치된다. 플라즈마 공정 시 챔버(100) 내부는 진공 상태로 유지되고 안테나 코일(110)의 대기압 상태로 유지되기 때문에 챔버(100) 상부에 안테나 코일(110)의 위치를 고정하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 금속 재질의 프레임(200)이 제공된다.
여기서 금속 프레임(200)은 안테나 코일(110)을 지지하는 기능을 하며, 윈도우 장착부(202)가 제공된다.
특히 대면적인 경우에 금속 프레임(200)은 서로 분할된 복수의 윈도우 장착부(202)를 포함할 수 있으며, 각 윈도우 장착부(202)에는 챔버(100) 내부에 전기장이 유도될 수 있도록 하는 유전체 윈도우(204)가 장착된다. 상기한 유전체 윈도우는 쿼츠(quartz)로 이루어진다.
상기한 종래기술에 따르면 안테나 코일(110)이 대기압 상태에 있고 챔버(100) 내부가 진공 상태로 유지되기 때문에 필수적으로 안테나 코일을 지지하기 위한 금속 프레임(200)이 제공되어야 하며, 또한 챔버(100) 내부의 진공 유지를 위해 유전체 윈도우(204)가 30 내지 40mm의 큰 두께로 제공되어야 하는 문제점이 있었다.
이에 따라 금속 프레임(200)에 의한 맴돌이 전류(eddy current)로 인한 플라즈마 밀도의 손실이 발생하며, 이는 플라즈마 균일도를 낮추는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에 있어서 안테나 코일(110)과 유전체 윈도우(204) 사이에는 유전체 윈도우의 부식 및 잔류물 증착(by-product deposition)을 방지하기 위한 패러데이 차폐막(faraday shield)이 제공된다.
그러나 패러데이 차폐막은 유전체 윈도우의 부식 및 잔류물 증착을 효과적으로 방지하지 못하고 오히려 플라즈마 방전 개시 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있 었다.
본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 플라즈마 균일도를 높일 수 있는 패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 금속 프레임 없이 플라즈마 발생 효율을 높일 수 있는 패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 패러데이 차폐막을 독립적인 전원으로 제어함으로써 유전체 윈도우의 부식 및 잔류물 증착을 방지 효율을 높일 수 있는 패러데이 차폐막이 독립적으로 제어되는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에 있어서, 진공 상태로 유지되며, 기판의 처리를 위해 외부에서 유입된 반응 가스를 이용하여 플라즈마를 생성하는 제1 챔버; 상기 제1 챔버의 상부에 위치하며, RF 전원에 접속되어 상기 제1 챔버에 상기 플라즈마 생성을 위한 전기장을 유도하는 안테나 코일; 상기 제1 챔버 및 안테나 사이에 배치되며, 상기 제1 챔버 내부에 전기장이 유도되도록 하는 유전체 윈도우; 및 상기 RF 전원과 독립적인 제어 전원에 접속되어 상기 안테나 코일 및 유전체 윈도우 사이에 배치되는 패러데이 차폐막을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이 다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 유도 결합형 플라즈마 처리 장치는 제1 챔버(300) 및 제2 챔버(310)를 포함할 수 있다.
제1 챔버(300)는 진공 조건하에서 플라즈마를 형성하여 기판 상에 식각 공정 등을 수행하는 공간으로서, 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 이루어진다.
제1 챔버(300)의 바닥부에는 세라믹 등으로 이루어지는 절연판(미도시)이 배치되며, 절연판의 상면에는 기판(302)이 놓여지는 하부 전극(304)이 배치된다.
하부 전극(304)은 정전척을 포함하며, 정전척은 직류 전압에 의한 정전기력에 의해 플라즈마 공정 시 기판을 흡착 유지한다.
한편, 하부 전극(304)에 대향하여 상부 플레이트(306)가 제공된다. 여기서 상부 플레이트(306)는 가스공급수단(308)에 연결되어 플라즈마 식각 공정 등에 이용되는 반응 가스를 제1 챔버(300) 내로 토출한다.
한편, 제1 챔버(300)의 상부에는 제2 챔버(310)가 배치되며, 제1 및 제2 챔버(300,310)는 유전체 윈도우(320)에 의해 물리적 전기적으로 구분된다.
제2 챔버(310) 내에는 플라즈마 발생용 RF 전원(312)이 접속되는 안테나 코일(314)이 배치된다. 안테나 코일(314)에 RF 전원이 인가되는 경우, 안테나 코일(314)을 통해 흐르는 전류에 의해 자기장이 형성되며, 이 자기장의 시간에 따른 변화에 따라 제1 챔버(300)의 내부에 전기장이 유도된다.
이때, 제1 챔버(300) 내의 하부 전극에는 바이어스 발생용 RF 전원(316)이 접속된다.
여기서, 플라즈마 발생용 RF 전원(312) 및 바이어스 발생용 RF 전원(316)은 각각 RF 전력 반사를 방지하는 매칭 회로(317)를 통해 안테나 코일(314) 및 하부 전극(304)에 접속된다. 또한 플라즈마 발생용 RF 전원(312) 및 바이어스 발생용 RF 전원(316)의 주파수는 13.56MHz, 바이어스 발생용 RF 전원(316)의 주파수는 3.39MHz일 수 있으나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
상기와 같이 유도된 전기장에 의해 제1 챔버(300) 내로 분사된 반응가스가 플라즈마를 형성하여 기판 상에 원하는 식각 과정 등을 수행할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제2 챔버(310)의 측면에는 펌핑부(330)가 연결되어 제2 챔버(310)가 진공 상태로 유지된다.
종래에는 안테나 코일이 대기압 상태에 배치되었으나 본 발명에 따른 안테나 코일(314)은 진공 상태에 있는 제2 챔버(310)에 배치된다.
이러한 경우, 플라즈마 공정이 일어나고 있는 제1 챔버(300)와 안테나 코일(314)이 배치된 제2 챔버(310)가 모두 진공 상태가 되기 때문에 압력 차이가 존재하지 않게 된다.
이에 따라 안테나 코일(314)이 배치된 제2 챔버(310)의 하측에 강성의 금속 프레임 없이 세라믹 재질의 유전체 윈도우(320)만을 제공하는 것이 가능하다.
이는 제1 및 제2 챔버(300,310)의 압력 차가 없어 안테나 코일(314)을 지지하기 위한 강성의 금속 프레임 구조를 요구하지 않기 때문이다.
도면에는 도시하지 않았으나 안테나 코일(314)의 장착을 위해 제1 챔버(300)와 제2 챔버(310) 사이에는 도 1의 금속 프레임과 같은 형상이나 고강성의 금속 재질이 아닌 절연체 프레임이 제공될 수 있다. 이때 절연체 프레임에는 유전체 윈도우가 장착되는 하나 이상의 유전체 윈도우 장착 영역이 제공될 수 있다.
본 발명에 따르면, 제2 챔버(310) 내의 안테나 코일(314)이 플라즈마에 노출되는 것을 방지하기 위해, 제2 챔버(310) 내부는 소정의 충진재(Bead, 318)로 채워진다.
이때, 제2 챔버(310)의 전 영역이 아니라 안테나 코일(314)의 주변에 플라즈마 차폐를 위한 절연막을 형성하는 것도 가능할 것이다.
본 발명은 안테나 코일(314)이 진공 상태에 배치되기 때문에 인가되는 RF 전원에 의해 안테나 코일(314)의 온도가 상승할 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명에 따른 안테나 코일(314)의 내주면에는 냉각 유로(319)가 제공된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 안테나 코일(314)은 나선형으로 배치될 수 있는데, 냉각 유로(319)는 냉매공급수단(322)에 연결되어 안테나 코일(314)을 냉각시킨다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 진공 상태로 유지되는 제2 챔버(310) 내에서 안테나 코일(314)과 유전체 윈도우(320)의 사이에는 유전체 윈도우(320)의 부식을 방지하기 위한 패러데이 차폐막(324)이 제공될 수 있다.
패러데이 차폐막(324)은 안테나 코일(314)과 플라즈마 사이에 발생하는 용량 결합을 방해하여 제1 챔버(300) 내부에 노출된 유전체 윈도우(320)의 내부 표면 이 플라즈마로부터 가속된 양이온과 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 유전체 윈도우(320) 보호의 효율을 높이기 위해 본 발명에 따르면 패러데이 차폐막(324)에 플라즈마 발생용 RF 전원(312)와 독립적인 제어 전원(326)이 접속된다.
여기서, 제어 전원(324)은 플라즈마 발생용 RF전원의 주파수인 13.56MHz와의 간섭을 회피하기 위해 다른 주파수 1MHz내지 4MHZ 조건인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 안테나 코일을 진공 상태로 유지하기 때문에 금속 프레임을 필요로 하지 않으며 금속 프레임으로 인해 발생하는 플라즈마 불균일 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면 패러데이 차폐막을 독립적인 전원으로 제어하기 때문에 유전체 윈도우의 부식 방지 및 이로 인한 플라즈마 불균일 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 유도 결합형 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    진공 상태로 유지되며, 기판의 처리를 위해 외부에서 유입된 반응 가스를 이용하여 플라즈마를 생성하는 제1 챔버;
    상기 제1 챔버의 상부에 위치하며, RF 전원에 접속되어 상기 제1 챔버에 상기 플라즈마 생성을 위한 전기장을 유도하는 안테나 코일;
    상기 제1 챔버 및 안테나 사이에 배치되며, 상기 제1 챔버 내부에 전기장이 유도되도록 하는 유전체 윈도우; 및
    상기 RF 전원과 독립적인 제어 전원에 접속되어 상기 안테나 코일 및 유전체 윈도우 사이에 배치되는 패러데이 차폐막을 포함하고,
    상기 패러데이 차폐막에 접속되는 상기 제어전원은 AC 전원으로 상기 RF전원의 주파수와는 간섭을 회피하는 주파수를 공급하는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 안테나 코일 및 패러데이 차폐막은 상기 제1 챔버의 상부에 위치하며 플라즈마 공정 시 진공 상태로 유지되는 제2 챔버에 배치되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 챔버의 내부는 상기 안테나 코일이 상기 플라즈마로부터 절연하기 위한 충진재로 채워지는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 윈도우는 세라믹인 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 안테나 코일의 내주면에는 상기 안테나 코일을 냉각시키기 위한 냉각 유로가 제공되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 챔버의 상부에는 상기 안테나 코일을 장착하기 위한 절연체 프레임이 제공되는 것을 특징으로 하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치.
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